Utilizamos o tetrâmero do BDT, para estudo de um aproveitamento em dispositivos nanoeletrônicos. Este oligômero teve nas extremidades da sua cadeia a inserção de moléculas doadoras e aceitadoras no intuito de aumentar seu momento de dipolo. O conjunto (oligômero do BDT + Moléculas doadora e aceitadora) foi submetido a diversos valores de campo elétrico. Todos os cálculos foram realizados para sistemas neutros, com carga +2 e com carga -2. Utilizamos o método semi empírico AM1 para obter a geometria otimizada com vários valores de campo elétrico. Após isto contamos a carga líquida deslocada de um lado da molécula para outro. Ou seja, somamos a carga total de um lado e do outro. Isto nos dá um indicativo da corrente (I) do sistema. Mesmo nos referindo a corrente, estaremos sempre utilizando indicativo desta.
Com carga nula
Transistores de efeito campo moleculares possuem apenas um tipo de portadores majoritários, os elétrons, que sob a variação da polarização aplicada nos seus terminais dos grupos atômicos doadores e aceitadores apresentam três regiões de operação: corte, linear e saturação. A região de corte (cutoff) é caracterizada pela ausência de transporte de carga sob variação de tensão dreno/fonte. Por conseguinte, a região linear compreende o comportamento resistivo do dispositivo, isto é, variação diretamente proporcional entre tensão e corrente. Esta região é responsável, em grande parte, pela dissipação de energia do dispositivo. Porém, o BDT neutro, como pode ser visto na figura 4.1 apresenta um comportamento ideal nesta região. Por fim, a região de saturação mostra o principal
comportamento de um transistor molecular de efeito campo, ou seja, transporta carga continuamente sob variação de tensão entre seus terminais.
Figura 4.1: Curva característica IxV do transistor FET BDT, observe que sob polarização reversa e direta exibe comportamento ideal.
O comportamento ideal deste nano-transistor resulta no desaparecimento das perdas por comutação existentes em todos os transistores reais, sejam eles orgânicos ou inorgânicos. Esta singular propriedade do BDT, proveniente da sua natureza quântica, faz com que as transições entre os estados ligado e desligado da molécula ocorram quase instantaneamente. Uma vez que atualmente os dispositivos funcionam em frequências elevadas na ordem de MHz as perdas por condução são desprezíveis, isto quando comparadas com as perdas originadas por comutação. Contudo, o emprego do BDT neutro como um dispositivo unimolecular ocasionaria não somente a diminuição de perdas de energia, mas o aumento da frequência processada.
Figura 4.2: (a) Perdas por comutação de um transistor típico comparado (b) ao comportamento ideal do transistor FET BDT.
Com carga +2
Ao dopar o oligômero do BDT, modifica-se amplamente as curvas características IxV deste dispositivo limitando sua condução a apenas uma região de saturação sob polarização direta de 1,00 V à 1,80 V. A maior parte do transporte de carga é dominado pelo regime resistivo, sendo esta uma característica imprópria para qualquer dispositivo que necessite de comutação de estados, as únicas regiões em que apresentam similaridades com os transistores usuais são valores de IxV compreendidos no primeiro quadrante, isto é, transporte de carga doador/aceitador sob polarização direta e tensões de fonte negativos em relação ao dreno.
Figura 4.3: Regiões anômalas de operação do transistor FET BDT +2.
Com carga -2
Neste tipo de dispositivo, BDT, a principal característica apresentada são dois estados de condução on/off bastante explícitos na curva característica separados por amplas regiões lineares, também, valores iniciais de VT são positivos no disparo do threshold sob
polarização direta. O modelo mais aproximado para este tipo de comportamento unimolecular, podemos comparar ao transistor MOSFET do tipo p – depleção.
Figura 4.4: Características de transporte de carga do transistor FET BDT, carregado negativamente.
Espectros de absorção
Figura 4.5: Espectro de absorção do dispositivo baseado no BDT(carga nula), onde 1, 2 e 3 indicam valores de potencial iguais a -3.75 V, -1.65 V e 3.9 V.
Figura 4.6: Espectro de absorção do dispositivo baseado no BDT (carga-2), onde 1, 2 e 3 indicam valores de campo iguais a -1.5 V, -0.15 V e 1.35 V respectivamente.
Figura 4.7: Espectro de absorção do dispositivo baseado no BDT (carga+2), onde 1, 2, 3 e 4 indicam valores de campo iguais a -1.05 V, -0.15 V, 0.75 V e 1.5 V respectivamente.
As principais transições para o dispositivo com carga nula não ocorre numa transição HOMO-LUMO, quando o valor do potencial é igual a -1.65 V, esta transição ocorre acompanhada da transição HOMO-1-LUMO, com força do oscilador igual a 2.7662 e energia de excitação de 1216.6nm. Para o dispositivo de carga -2, as principais transições para o valor de potencial igual a -1.5 V, ocorrem com a força do oscilador igual a 2.2246 dos níveis BP2 para LUMO e BP2 para LUMO+1. Para o valor de potencial igual a -0.15 V a maior força do oscilador está associada a transição do nível de defeito ocupado mais alto(BP2) para o LUMO. Para o valor de campo igual a 1.35 V para a maior força do oscilador (1.7451), ocorrem as transições nos níveis BP2 para LUMO+1 e BP2 para LUMO +2. Para o dispositivo com carga +2, todas as transições associadas com a maior força do oscilador para os valores de potenciais escolhidos ocorrem do nível HOMO para BP1, que são os níveis de fronteira. As tabelas associadas com os gráficos dos espectros podem ser encontradas no apêndice B.
Capítulo 5
Conclusões
Apresentamos neste trabalho vários resultados obtidos com alguns métodos de física quântica no sentido de fornecer informações teóricas acerca da condução e uso do polímero do BDT em aplicações tecnológicas.
Escolhemos os métodos semi empíricos AM1 e PM3, e o método DFT. Utilizamos dois tipos principais de conformações: antiparalela e paralela.
Os resultados para os espectros revelam uma diminuição do gap conforme aumento no tamanho dos oligômeros, e um deslocamento sempre para a direita (red shift) da banda associada com a transição HOMO-LUMO nos casos não dopados. Com dopagem, as transições HOMO LUMO ocorrem simultaneamente com transições envolvendo níveis de defeitos e um red shift nesse conjunto de transições é observado. O calor de formação e o valor da energia do estado fundamental obtidos com os métodos Semi-empíricos AM1 e PM3 e com o método DFT respectivamente sugerem igual probabilidade de ocorrência das geometrias paralelas e antiparalelas.
Os resultados obtidos com a densidade de estados do BDT revelam em alguns casos um comportamento metálico em poucos níveis de dopagem, em outros casos mesmo com o não fechamento do gap há uma redução significativa do mesmo. Para os polímeros com configuração paralela verificou-se no estado não dopado um gap em torno de 1 eV, um deslocamento do HOPO para a direita com dopagem com bipólarons de carga -2 e quadrado da função de onda extendido em todo polímero. Para os polímeros com configuração paralela dopado com carga +2 e para os casos de configuração antiparalela (+2 e -2) ocorre uma não mobilidade do nível de fronteira. Nestes casos também é
verificado níveis delocalizados do quadrado da função de onda. Em todos os casos é sempre verificado um aumento da intensidade e quantidade de níveis gerados por defeitos. O efeito aleatório não exibiu uma diferença significativa com relação ao caso de distribição ordenada, apresentando resultados análogos nos dois tipos de dopagem.
O tetrâmero do BDT mostrou um comportamento da curva IxV que o permite ser utilizado na construção de dispositivos eletrônicos. Para a molécula com carga nula é observado um comportamento muito próximo de um transistor ideal. Com carga positiva e negativa algumas regiões apresentam uma curva análoga a de dispositivos conhecidos, com carga positiva pode ser utilizado como transistor. E com carga negativa pode ser utilizado como um MOSFET do tipo p.